◎张肇伦 周鸿茂 王雪琳 卢宁 交通运输部水运科学研究院

煤炭码头作为吸纳人员、货物、资金、技术、信息等生产力要素的重要载体，是维系社会经济正常运行、保证国家能源安全的重要场所。随着改革开放40多年来我国对高新技术的持续攻关，5G、物联网、大数据、云计算、人工智能等先进信息技术得到了快速发展，应用新兴技术对煤炭码头进行数字化转型升级得到了政府、科研院所和港口企业的高度重视。自2014年以来，国家出台一系列政策文件推动港口的智慧化转型升级，如交通运输部先后印发《关于推进港口转型升级的指导意见》《交通运输“十三五”信息化发展规划》，以及交通运输部联合其他八部门印发《关于建设世界一流港口的指导意见》，文件从目标、措施、路径等方面全方位指导智慧港口的建设，提出建设智慧港口示范工程，实现港口服务全流程自动化、智能化。从煤炭码头企业的需求来分析，以往粗放式的发展模式已经不能适用码头未来的发展需求，提升码头设备自动化、服务敏捷化、管理智慧化、运营组织协同一体化等水平已经成为煤炭码头企业当前阶段的主要目标。

本文针对未来煤炭码头的智慧化发展趋势，研究煤炭码头泛在感知与智能化管控技术，内容涵盖两方面内容，一是设备自动化改造过程中作业设备的泛在感知需求，二是码头智能化管控对于管理系统的需求及生产要素协同作业机理。研究成果将为煤炭码头企业科学的规划和建设智慧化煤炭码头提供借鉴。

1.煤炭码头作业流程及关键设备

煤炭码头的作业流程主要包含卸船流程、装船流程、卸车流程、装车流程，每个流程代表着煤炭在码头内各空间节点间的移动，作业流程将泊位、堆场、闸口、港外区域有序贯通，决定了码头的生产效率和运营水平，是物料在码头移动的生命线。煤炭码头的作业流程如下所示，其中每个流程的首尾两端均为码头内的空间节点：

1）卸船流程：泊位—码头装卸船设备—码头水平运输设备—码头堆场设备—堆场

2）装船流程：堆场—码头堆场设备—码头水平运输设备—码头装卸船设备—泊位

3）装车流程：堆场—码头堆场设备—码头水平运输设备—装卸车设备—火车—闸口

4）卸车流程：闸口—火车—装卸车设备—码头水平运输设备—码头堆场设备—堆场

由于国内煤炭码头关键作业设备的选则要充分考虑码头的空间布局、主营业务和当前的技术发展水平等因素，所以导致码头应用的设备存在一定的差异。煤炭码头的装卸船设备主要有门座式抓斗卸船机、桥式抓斗卸船机、连续式装船机、连续式卸船机；码头水平运输设备主要是带式输送机；码头堆场设备主要有堆料机、取料机、堆取料机；装卸车设备主要有装车楼和翻车机。

2.煤炭码头关键设备感知需求

提出煤炭码头关键设备的感知需求要以实现码头作业流程全自动化或半自动化为目标，并且充分考虑煤炭码头的作业流程、关键设备、作业方式、实际作业工况和当前技术发展水平。通过感知设备采集的设备状态信息代替传统码头工作人员的视觉、触觉、听觉，这些信息是码头作业实现现状可查、未来可测、风险可变的基础。具体的感知需求包括包含以下六类：

视频：主要功能是事件存档、状态监控、危险预警、辅助远程操控等。视频监控要覆盖煤炭移动的作业场景和设备主要部件，安装时要根据设备的具体结构选择合适的位置。

运行和定位：主要功能是实时获取设备和其主要部件的位置、角度、加速度信息，辅助设备自动作业、防碰撞、吊具防摇等。对需重点监控的机构应配备两套独立的位置检测装置进行相互校验，同时定位的偏差要满足具体实际要求，常见的设备和技术包括RFID定位、GPS定位、北斗卫星定位、编码器、角速度传感器、角度传感器等。

智能识别：主要功能是对设备周边环境的3D扫描和通过OCR识别车号等。常见的设备包括机关扫描仪、雷达、RFID等。

信息管控：主要功能是对任务进展、异常信息、人工介入等与设备任务完成情况相关内容的记录与传递。

远程操作：主要功能是在设备远程操控时记录设备操作人员身份信息和设备状态信息。

安全保护：主要功能是采集并分析设备上主要机构处的传感器信号，通过对信号的分析避免设备的损伤和设备间的碰撞。

感知到的信息经由泛在感知网络传递到相应的管理系统，数据经过采集和分析后，设备的状态信息会呈现在人机交互界面中供远程操控室的操作人员对设备进行远程操控，或设备本身进行全自动化作业。煤炭码头关键设备感知需求如表1所示。

表1 煤炭码头关键设备感知需求[3-5]

3.煤炭码头关键系统需求

煤炭码头关键系统应实现对码头内主要生产、管理、服务功能全覆盖，包括设备自动化作业、业务协同管理、线上商务服务等功能。在设备状态信息充分感知并可根据需要在各个系统间自由流转的前提下，对码头业务进行划分可以整合为4个关键系统。关键系统的功能如下：

管理信息系统：具备生产作业管理、理货管理、堆存管理、设备管理、能耗管理、物资管理、闸口管理、统计分析管理、基础信息管理等功能。

设备管理系统：具备装卸船机械自动控制、水平运输设备自动控制、堆场设备自动控制、除尘自动控制、照明自动控制、通风机械自动控制、作业信息监测、堆存量信息监测、设备状态监测、能耗监测等功能。

远程操控系统：具备码头装卸船设备远程操控、码头堆场设备远程操控等功能。

支持保障系统：具备无线对讲、港口视频监控、电子海图、气象信息展示、定位导航、网上服务、大屏幕显示、数据中心等功能。

4.煤炭码头生产要素耦合机理

煤炭码头生产要素耦合机理包含码头关键设备和关键系统之间的关系，以及码头进行作业时的信息流转内容，即设备的感知信息和系统处理后的信息。其中煤炭码头关键设备和关键系统交互关系如图1所示。

图1 煤炭码头关键设备和关键系统交互关系

码头关键设备和关键系统交互关系图中以大写字母A、B、C、D表示的是煤炭码头内的关键系统；以小写字母a，b，c，d表示的是物料移动过程中所应用的关键设备；箭头代表信息的流转方向；①，②，③……代表的是具体的交互信息，包括作业指令、作业指令执行状态、作业状态、作业介入请求、故障信息、远程操控作业指令、连锁控制信号等。以卸船流程为例，首先管理信息系统制定并下发作业计划到设备管理系统，然后设备管理系统向各个设备发送调度指令，设备接收到指令后开始作业。设备在作业过程中会实时的感知自身作业信息和外界环境信息，并实时的向设备管理系统汇报，设备管理系统将收到的信息进行分析和处理，然后向设备发送作业指令。当设备遇到突发情况或者作业多次失败后，设备操作人员可申请接入并通过远程操控系统对设备进行远程控制。支持保障系统为码头的生产经营活动提供可靠的后勤保障服务。设备和系统间的信息流转主要包含三类，即系统间交互、系统与设备间交互、设备间交互。

5.结论

本文针对未来煤炭码头的智慧化发展趋势，对煤炭码头泛在感知与智能化管控技术进行研究，首先以实现码头作业流程全自动化或半自动化为目标，充分考虑煤炭码头的作业流程、关键设备、作业方式、实际作业工况和当前技术发展水平，提出煤炭码头关键设备的感知需求。然后以煤炭码头关键系统功能应覆盖码头内主要生产、管理、服务等全部功能为前提，提出码头智能化管控对管理系统的需求，以及生产要素间的协同作业机理。研究成果将为煤炭码头企业科学的规划和建设智慧化煤炭码头提供技术支撑和实践参考依据。